DE102015223675B4 - Time-of-flight sensor for an optical range finder - Google Patents

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Abstract

Lichtlaufzeitsensor (22) für einen optischen Entfernungsmesser (1),mit einem Lichtlaufzeitpixel (23) zur Demodulation eines empfangenen modulierten Lichtsignals (Sp2),wobei das Lichtlaufzeitpixel (23) mehrere, matrixförmig angeordnete Empfangsbereiche (23.n) mit wenigstens einem Auslesefinger (Dan, Dbn) für einen A- und B-Kanal aufweist,und ein jeweiliger Auslesefinger (Dan, Dbn) wenigstens jeweils einen als Diodenknoten ausgebildeten Integrationsknoten (Da, Db) aufweist,wobei das Lichtlaufzeitpixel (23) einen Integrator (410) zur Integration der an den Diodenknoten (Da, Db) erfassten Ladungen aufweist,und die Auslesefinger (Dan, Dbn) eines Kanals (A, B) einzeln oder gruppenweise jeweils mit einem Eingang eines Umschalter (SA1..n, SB1..n) verbunden sind,wobei die Umschalter (SA1..n) für Auslesefinger (Dan) des A-Kanals an einem ersten Ausgang des Umschalters (SA1..n) mit einem A- Kanal Eingang des Integrator (410) und die Umschalter (SB1..n) für Auslesefinger (Dbn) des B-Kanal an einem ersten Ausgang des Umschalters (SB1..n) mit einem B- Kanal Eingang des Integrator (410) und dass die Umschalter (SA1..n, SB1..n) an einem zweiten Ausgang mit einem Eingang eines Verwerfknoten (450) verbunden sind,wobei der Lichtlaufzeitsensor (22) derart ausgebildet ist, dass im Betrieb die Umschalter (SA1..n, SB1..n) die Auslesefinger (Dan, Dbn) entweder mit einem Eingang des Integrators (410) oder mit einem Eingang des Verwerfknoten (450) verbinden, wobei an einem weiteren Eingang des Verwerfknotens (450) eine Referenzspannung (Vref) anliegt, die der an den weiteren A- und B-Kanal-Eingängen des Integrators (410) anliegenden Spannung entspricht,wobei die Empfangsbereiche (23.n), deren Auslesefinger (Dan, Dbn) mit dem Integrator (410) verbunden sind, aktive Empfangsbereiche (23.n) bilden,und die Auslesefinger (Dan, Dbn) derart mit dem Integrator (410) verbunden sind, dass die Geometrie der zusammengefassten aktiven Empfangsbereiche (23.n), eine abstandsabhängige Orts- und Größenveränderung des Lichtspots (50) berücksichtigt.Time-of-flight sensor (22) for an optical range finder (1), with a time-of-flight pixel (23) for demodulating a received modulated light signal (Sp2), the light-time-of-flight pixel (23) having a plurality of reception areas (23.n) arranged in a matrix with at least one readout finger (Dan , Dbn) for an A and B channel, and a respective readout finger (Dan, Dbn) has at least one integration node (Da, Db) designed as a diode node, the light transit time pixel (23) having an integrator (410) for integrating the has charges detected at the diode nodes (Da, Db), and the readout fingers (Dan, Dbn) of a channel (A, B) are connected individually or in groups to an input of a switch (SA1..n, SB1..n), the switches (SA1..n) for the readout fingers (Dan) of the A channel at a first output of the switch (SA1..n) with an A channel input of the integrator (410) and the switches (SB1..n) for readout fingers (Dbn) of the B-channel at a first output of the switch (SB1..n) with a B-channel input of the integrator (410) and that the switches (SA1..n, SB1..n) at a second output are connected to an input of a discard node (450), the time-of-flight sensor (22) being designed in such a way that, during operation, the changeover switches (SA1..n, SB1..n) connect the readout fingers (Dan, Dbn) either to an input of the integrator (410) or to an input of the discarding node (450), a further input of the discarding node (450) having a reference voltage (Vref) which is that at the further A and B channel inputs of the integrator (410) corresponds to the applied voltage, the receiving areas (23.n) whose readout fingers (Dan, Dbn) are connected to the integrator (410) forming active receive areas (23.n), and the readout fingers (Dan, Dbn) connected in this way to the integrator (410) that the geometry of the combined active receiving areas (23.n) takes into account a distance-dependent change in location and size of the light spot (50).

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtlaufzeitsensor für einen optischen Entfernungsmesser und einen Entfernungsmesser nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a time-of-flight sensor for an optical range finder and a range finder according to the species of the independent claims.

Als optische Entfernungsmesser eignen sich insbesondere Lichtlaufzeitmesssysteme, die nicht nur Entfernungen direkt aus der Lichtlaufzeit ermitteln, sondern insbesondere auch alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Messsysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeitsensoren bzw. Empfangselemente sind insbesondere PMD-Sensoren mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in den Anmeldungen EP 1 777 747 A1 , US 6 587 186 B2 und auch DE 197 04 496 A1 beschrieben und beispielsweise von der Firma „ifm electronic gmbh‟ als O3D-Kamera oder als optische Abstandssensoren O1D, OSD, OID zu beziehen sind.Light propagation time measuring systems that not only determine distances directly from the light propagation time, but in particular all light propagation time or 3D-TOF measuring systems that obtain propagation time information from the phase shift of emitted and received radiation are particularly suitable as optical rangefinders. PMD sensors with photomixing detectors (PMD) are particularly suitable as time-of-flight sensors or receiving elements, such as those described in the applications EP 1 777 747 A1 , U.S. 6,587,186 B2 and also DE 197 04 496 A1 described and can be obtained, for example, from the company "ifm electronic gmbh" as an O3D camera or as optical distance sensors O1D, OSD, OID.

Ferner ist aus der EP 1 332 594 A2 eine PMD-Sensorausgestaltung bekannt, bei der zur Separation der photonisch erzeugten Ladungen keine Modulationsgates verwendet werden, sondern die Separation ausschließlich über die Akkumulationsgates bzw. Integrationsknoten selbst erfolgt.Furthermore, from the EP 1 332 594 A2 a PMD sensor configuration is known in which no modulation gates are used to separate the photonically generated charges, but the separation takes place exclusively via the accumulation gates or integration nodes themselves.

Aus der DE 102004016626 A1 und DE 102005056774 A1 sind ferner so genannten SBI (supressed background illumination)-Schaltungen bekannt, die durch eine pixelindividuelle Unterdrückung von Hintergrundlicht die Dynamik eines Pixels erweitern.From the DE 102004016626 A1 and DE 102005056774 A1 Also known are so-called SBI (suppressed background illumination) circuits, which expand the dynamics of a pixel by suppressing background light for each pixel.

Aus der DE 10 2004 037 137 A1 ist grundsätzlich ein zeilenförmig ausgebildeter PMD-Sensor bekannt. In einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, zwei TOF-Elemente zu einem Bildpunkt zusammenzuführen und um 90° phasenverschoben zu betreiben, so dass in einem Bildpunkt beide Phasenlagen gleichzeitig erfasst werden können.From the DE 10 2004 037 137 A1 a line-shaped PMD sensor is basically known. In one exemplary embodiment, it is proposed to combine two TOF elements into one pixel and to operate them phase-shifted by 90°, so that both phase positions can be detected simultaneously in one pixel.

Die DE 10 2012 223 298 A1 beschäftigt sich mit dem Aufbau eines Pixels mit einer nichtlinearen Kennlinie. Hierzu ist es vorgesehen, die Ausleseknoten des Pixels mit einem Kompressionstransistors zu verbinden, über den durch Anlegen einer Gatespannung der Verlauf der Ladungsintegration beeinflussbar ist.The DE 10 2012 223 298 A1 deals with the structure of a pixel with a non-linear characteristic. For this purpose, the readout nodes of the pixel are connected to a compression transistor, via which the course of the charge integration can be influenced by applying a gate voltage.

Die DE 10 2009 029 364 A1 zeigt eine Messvorrichtung zur optischen Entfernungsmessung, bei der die Detektionsfläche eine Vielzahl von Pixeln aufweist, über die mit Hilfe einer Auswertevorrichtung Entfernungsdaten bestimmt werden. Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses können die Detektionsflächen in ihrer Größe angepasst werden.The DE 10 2009 029 364 A1 shows a measuring device for optical distance measurement, in which the detection surface has a large number of pixels, via which distance data are determined with the aid of an evaluation device. The size of the detection areas can be adjusted to improve the signal-to-noise ratio.

Die DE 10 2005 062 320 A1 beschäftigt sich mit einer optoelektronischen Vorrichtung mit einem Sender und einem Empfänger mit mehreren Empfangselementen, welche nach dem Triangulationsprinzip Objekte in einem vorgegebenen Distanzbereich detektieren.The DE 10 2005 062 320 A1 deals with an optoelectronic device with a transmitter and a receiver with several receiving elements, which detect objects in a predetermined distance range according to the triangulation principle.

Die DE 10 2006 049 905 A1 offenbart einen optoelektronischen Sensor mit einem Sender zum Aussenden von Licht in einen Überwachungsbereich und einem Detektor zum Nachweis von von einem Zielobjekt reflektierten Licht. Hierbei kann die aktive Fläche des Detektors in Position und Form auf den empfangenen Lichtfleck eingestellt werden.The DE 10 2006 049 905 A1 discloses an optoelectronic sensor having an emitter for emitting light into a surveillance area and a detector for detecting light reflected from a target object. The active surface of the detector can be adjusted in position and shape to the received light spot.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Entfernungsmesser im Hinblick auf Fehlergenauigkeit und/oder einfachere Justierung des optischen Systems zu verbessern.The object of the invention is to improve an optical range finder with regard to error accuracy and/or simpler adjustment of the optical system.

Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch den erfindungsgemäßen Entfernungsmesser gelöst.The object is solved in an advantageous manner by the distance meter according to the invention.

Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitsensor für einen optischen Entfernungsmesser vorgesehen, mit einem Lichtlaufzeitpixel zur Demodulation eines empfangenen modulierten Lichtsignals, wobei das Lichtlaufzeitpixel mehrere, matrixförmig angeordnete Empfangsbereiche mit wenigstens einem Auslesefinger für einen A- und B-Kanal aufweist, und ein Auslesefinger jeweils wenigstens einen Diodenknoten aufweist, wobei das Lichtlaufzeitpixel einen Integrator zur Integration der an den Diodenknoten erfassten Ladungen aufweist, und die Auslesefinger eines Kanals einzeln oder gruppenweise jeweils mit einem Eingang eines Umschalter verbunden sind, wobei die Umschalter für Auslesefinger des A-Kanals an einem ersten Ausgang des Umschalters mit einem A- Kanal Eingang des Integrator
und die Umschalter für Auslesefinger des B-Kanal an einem ersten Ausgang des Umschalters mit einem B- Kanal Eingang des Integrator
und dass die Umschalter an einem zweiten Ausgang mit einem Eingang eines Verwerfknoten verbunden sind, wobei der Lichtlaufzeitsensor derart ausgebildet ist, dass im Betrieb die Umschalter die Auslesefinger entweder mit einem Eingang des Integrators oder mit einem Eingang des Verwerfknoten verbinden, wobei die Empfangsbereiche, deren Auslesefinger mit dem Integrator verbunden sind, aktive Empfangsbereiche bilden, und die Auslesefinger derart mit dem Integrator verbunden sind, dass die Geometrie der zusammengefassten aktiven Empfangsbereiche, eine abstandsabhängige Orts- und Größenveränderung des Lichtspots berücksichtigt.
A time-of-flight sensor for an optical range finder is advantageously provided, with a time-of-flight pixel for demodulating a received modulated light signal, the light-time-of-flight pixel having a plurality of reception areas arranged in a matrix with at least one readout finger for an A and B channel, and each readout finger having at least one diode node , wherein the time-of-flight pixel has an integrator for integrating the charges detected at the diode nodes, and the readout fingers of a channel are connected individually or in groups to an input of a switch, the switches for readout fingers of the A channel being connected to a first output of the switch with a A- channel input of the integrator
and the switches for readout fingers of the B-channel at a first output of the switch to a B-channel input of the integrator
and that the changeover switches are connected at a second output to an input of a discard node, the time-of-flight sensor being designed in such a way that during operation the changeover switches connect the readout fingers either to an input of the integrator or to an input of the discard node, the reception areas whose readout fingers are connected to the integrator, form active reception areas, and the readout fingers are connected to the integrator in such a way that the geometry of the combined active reception areas takes into account a distance-dependent change in location and size of the light spot.

Durch dieses Vorgehen ist es vorteilhaft möglich, die Geometrie des Lichtlaufzeitpixels durch Ausblenden nicht benötigter Bereiche den jeweiligen Messerfordernissen optimal anzupassen. Durch das Umschalten der nicht vom Nutzlicht beleuchteten Bereiche von dem Integrator auf den Verwerfknoten werden störende Signalbeiträge von der Integration ferngehalten. Hierdurch werden insbesondere das Signal-Rauschverhältnis und die Genauigkeit des Entfernungsmessers verbessert. Insbesondere kann so zum Beispiel das Schrotrauschen verringert werden.This procedure advantageously makes it possible to optimally adapt the geometry of the time-of-flight pixel to the respective measurement requirements by hiding areas that are not required. By the Switching over the areas not illuminated by the useful light from the integrator to the discard node, interfering signal contributions are kept away from the integration. In particular, this improves the signal-to-noise ratio and the accuracy of the range finder. In particular, the shot noise can be reduced in this way, for example.

Vorteilhaft ist es ferner vorgesehen, die Geometrie der mit dem Integrator verbundenen und zusammengefassten aktiven Empfangsbereiche trichterförmig ausgebildet ist.It is also advantageously provided that the geometry of the active reception areas connected to the integrator and combined is funnel-shaped.

Durch diese Ausbildung lässt sich der Empfangsbereich vorteilhaft an die abstandsabhängige Größen- und Ortsänderung des Lichtspots anpassen.With this design, the receiving area can advantageously be adapted to the distance-dependent change in size and location of the light spot.

Ferner ist es von Vorteil, die Umschaltung der Empfangsbereiche bzw. der Auslesefinger auf den Integrator oder Verwerfknoten in Abhängigkeit eines ermittelten Entfernungswerts und/oder der Stärke des Empfangssignals durchzuführen.Furthermore, it is advantageous to switch over the reception areas or the readout fingers to the integrator or reject node as a function of a determined distance value and/or the strength of the received signal.

Durch dieses Vorgehen können die Empfangsbereiche dynamisch auf die jeweilige Messsituation und die sich ggf. abhängig vom Objektabstand ändernde Lichtspotgröße, - position und/oder Signalstärke angepasst werden. Beispielsweise kann durch eine Reflektion an einem Tripelspiegel die Signalstärke so hoch werden, dass der Sensor in Sättigung gerät und nicht mehr ausgewertet werden kann. Durch die erfindungsgemäße Anpassung der Empfangsbereiche kann ein Teil der fotoempfindlichen Fläche ausgeblendet und somit der Dynamikumfang des Sensors erhöht werden.This procedure allows the reception areas to be dynamically adapted to the respective measurement situation and the light spot size, position and/or signal strength that may change depending on the object distance. For example, a reflection from a triple mirror can cause the signal strength to become so high that the sensor becomes saturated and can no longer be evaluated. Due to the adaptation of the reception areas according to the invention, part of the photosensitive surface can be masked out and the dynamic range of the sensor can thus be increased.

In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass das Empfangselement bzw. der Lichtlaufzeitsensor so angeordnet ist, dass sich bei einer Abstandsänderung des Objekts der Lichtspot in Richtung einer Längsachse eines Empfangsbereichs bewegt.In a further embodiment, it is provided that the receiving element or the time-of-flight sensor is arranged in such a way that when the distance of the object changes, the light spot moves in the direction of a longitudinal axis of a receiving area.

Durch diese Anordnung ist es insbesondere bei so genannten zweiäugigen Systemen, d.h. bei Systemen, bei denen Sender und Empfänger voneinander beabstandet angeordnet sind, möglich, die geometrische Lageveränderung des Lichtspots, aufgrund eines so genannten Triangulationseffekts, zu berücksichtigen.This arrangement makes it possible, particularly in the case of so-called two-eyed systems, i.e. systems in which the transmitter and receiver are arranged at a distance from one another, to take into account the geometric change in position of the light spot due to a so-called triangulation effect.

Besonders vorteilhaft ist den Verwerfknoten so auszugestalten, dass die Impedanz und/oder Eingangsspannung des Verwerfknotens der Impedanz und/oder Eingangsspannung des Integrators entspricht. Durch dieses Vorgehen ist sichergestellt, dass durch ein Umschalten zwischen dem Integrator und Verwerfknoten keine Potentialverschiebungen auf dem Pixel auftreten.It is particularly advantageous to configure the reject node in such a way that the impedance and/or input voltage of the reject node corresponds to the impedance and/or input voltage of the integrator. This procedure ensures that no potential shifts occur on the pixel as a result of switching between the integrator and discard nodes.

Besonders vorteilhaft ist es einen optischen Entfernungsmesser mit einem vorgenannten Lichtlaufzeitsensor auszustatten.It is particularly advantageous to equip an optical range finder with an aforementioned time-of-flight sensor.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen:

  • 1 schematisch das grundlegende Prinzip eines optischen Entfernungsmessers,
  • 2 schematisch ein PMD-Lichtlaufzeitpixel,
  • 3 ein singuläres Lichtlaufzeitpixel mit einem einzigen Empfangsbereich,
  • 4 ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitpixel mit mehreren Empfangsbereichen,
  • 5 ein Pixel mit ausgeblendeten Empfangsbereichen,
  • 6 ein Pixel gemäß 5 mit einem verschobenen Nutzlicht-Empfangsbereich,
  • 7 einen Querschnitt eines PMD-Lichtlaufzeitpixels mit Diodenknoten,
  • 8 eine Aufsicht auf ein Lichtlaufzeitpixel gemäß 7,
  • 9 ein Lichtlaufzeitpixel mit durchlaufender Struktur,
  • 10 eine erfindungsgemäße Ausleseschaltung,
  • 11 ein Timing-Diagramm für eine erfindungsgemäße Schaltung,
  • 12 ein erfindungsgemäßes Pixel mit Umschaltern,
  • 13 ein optischer Entfernungsmesser mit seitlicher Beleuchtungsquelle,
  • 14 ein Pixel gemäß 5 mit einem ortsveränderlichen Lichtspot,
  • 15 ein optischer Entfernungsmesser mit zentraler Beleuchtungsquelle,
  • 16 einen Lichtlaufzeitsensor mit einer trichterförmigen Empfangsbereichs-Matrix,
  • 17 einen Lichtlaufzeitsensor gemäß 16 mit einem ausgeblendeten Fernbereich,
  • 18 einen Lichtlaufzeitsensor gemäß 16 mit einem ausgeblendeten Nahbereich.
Show it:
  • 1 schematically the basic principle of an optical range finder,
  • 2 schematically a PMD time-of-flight pixel,
  • 3 a singular time-of-flight pixel with a single receiving area,
  • 4 a time-of-flight pixel according to the invention with a plurality of reception areas,
  • 5 a pixel with hidden reception areas,
  • 6 one pixel according to 5 with a shifted useful light reception area,
  • 7 a cross-section of a PMD time-of-flight pixel with diode nodes,
  • 8th a top view of a time-of-flight pixel according to FIG 7 ,
  • 9 a time-of-flight pixel with a continuous structure,
  • 10 a readout circuit according to the invention,
  • 11 a timing diagram for a circuit according to the invention,
  • 12 a pixel according to the invention with switches,
  • 13 an optical range finder with a side illumination source,
  • 14 one pixel according to 5 with a portable light spot,
  • 15 an optical range finder with a central illumination source,
  • 16 a time-of-flight sensor with a funnel-shaped receiving area matrix,
  • 17 according to a time-of-flight sensor 16 with a blanked far area,
  • 18 according to a time-of-flight sensor 16 with a blanked out close range.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, designate equal che reference symbols same or comparable components.

1 zeigt einen optischen Entfernungsmesser, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist. 1 shows an optical range finder, as for example from the DE 197 04 496 A1 is known.

Der optische Entfernungsmesser 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. Sender 10 mit einer Lichtquelle 12 und einer Sendeoptik 15 sowie einen Empfänger 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Empfangselement 22. Das Empfangselement 22 ist vorzugsweise als PMD-Sensor ausgebildet.The optical range finder 1 comprises a transmitter unit or transmitter 10 with a light source 12 and a transmitter optics 15 and a receiver 20 with a receiver optics 25 and a receiver element 22. The receiver element 22 is preferably designed as a PMD sensor.

Das Messprinzip dieser Anordnung basiert darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und das Empfangselement 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz M(p1) mit einer ersten Phasenlage p1 beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal S(p1) mit der ersten Phasenlage p1 aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage p2 als Empfangssignal S(p2) auf das Empfangselement 22. Im Empfangselement 22 wird das Modulationssignal M(p1) mit dem empfangenen Signal S(p2), gemischt bzw. demoduliert, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.The measuring principle of this arrangement is based on the fact that the propagation time and thus the distance covered by the received light can be determined based on the phase shift of the emitted and received light. For this purpose, the light source 12 and the receiving element 22 are acted upon by a modulator 30 together with a specific modulation frequency M(p1) with a first phase position p1. The light source 12 emits an amplitude-modulated signal S(p1) with the first phase position p1 in accordance with the modulation frequency. In the case shown, this signal or the electromagnetic radiation is reflected by an object 40 and, due to the distance covered, impinges on the receiving element 22 with a second phase position p2 as a received signal S(p2) with a corresponding phase shift. In the receiving element 22, the modulation signal M(p1) mixed or demodulated with the received signal S(p2), the phase shift or the object distance d being determined from the resulting signal.

2 zeigt einen Querschnitt durch ein Lichtlaufzeitpixel eines Photomischdetektors wie er beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist. Die Modulationsphotogates Gam, G0, Gbm bilden den lichtsensitiven Bereich eines PMD-Pixels. Entsprechend der an den Modulationsgates Gam, G0, Gbm angelegten Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate bzw. Integrationsknoten Ga, Gb gelenkt. 2 shows a cross section through a light transit time pixel of a photomixing detector such as that shown in FIG DE 197 04 496 A1 is known. The modulation photogates Gam, G 0 , Gbm form the light-sensitive area of a PMD pixel. According to the voltage applied to the modulation gates Gam, G 0 , Gbm, the photonically generated charges q are directed either to one or the other accumulation gate or integration node Ga, Gb.

In der Ausgestaltung der Modulationsgates kann ggf. auch auf das mittlere Modulationsgate G0 verzichtet werden. Alternativ kann ferner ein solches Lichtlaufzeitpixel auch ohne Modulationsgates ausgestaltet sein, wie es beispielsweise in der EP 1 332 594 A2 gezeigt und beschrieben ist.In the configuration of the modulation gates, the middle modulation gate G 0 can optionally also be dispensed with. Alternatively, such a light transit time pixel can also be designed without modulation gates, as is the case, for example, in FIG EP 1 332 594 A2 shown and described.

2b zeigt einen Potenzialverlauf, bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Integrationskonten Ga abfliesen, während das Potenzial gemäß 2c die Ladung q in Richtung des zweiten Integrationsknoten Gb fließen lässt. Die Potenziale werden entsprechend der anliegenden Modulationssignale vorgegeben. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 500 MHz ggf. sogar höher. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt. 2 B shows a potential curve in which the charges q flow in the direction of the first integration account Ga, while the potential according to 2c allows the charge q to flow towards the second integration node Gb. The potentials are specified according to the modulation signals present. Depending on the application, the modulation frequencies are preferably in a range from 1 to 500 MHz, possibly even higher. A modulation frequency of 1 MHz, for example, results in a period of one microsecond, so that the modulation potential changes accordingly every 500 nanoseconds.

In 2a ist ferner eine Ausleseeinheit 400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten PMD-Lichtlaufzeitsensors bzw. eines Empfangselements 22 sein kann. Die als Kapazitäten bzw. Dioden ausgebildeten Integrationsknoten Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Gates Ga, Gb anliegende Spannung beispielsweise über die Ausleseeinheit 400 hochohmig abgegriffen werden. Die Verschaltung und Auswertung des ersten und zweiten Integrationsknotens Ga, Gb bildet hierbei einen so genannten A- und B-Kanal.In 2a A readout unit 400 is also shown, which may already be part of a PMD time-of-flight sensor designed as CMOS or a receiving element 22. The integration nodes Ga, Gb designed as capacitors or diodes integrate the photonically generated charges over a large number of modulation periods. In a known manner, the voltage then present at the gates Ga, Gb can be tapped at high resistance, for example via the readout unit 400 . The interconnection and evaluation of the first and second integration node Ga, Gb forms a so-called A and B channel.

3 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Lichtlaufzeitsensor 22 zur Entfernungsbestimmung mit einem Lichtlaufzeitpixel 23 bzw. einer Empfangsfläche zur Demodulation und Ermittlung der Phasenverschiebung eines erfassten Lichtsignals. Sender 10 und Empfänger 20 bzw. deren Komponenten sind so zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet, dass in einem bevorzugten Entfernungsmessbereich das gesendete und vom Objekt 40 reflektierte Lichtsignal Sp1, Sp2 vom Lichtlaufzeitpixel 23 empfangen werden kann. Die Strahlformung ist so ausgestaltet, dass das Lichtsignal Sp2 in Form eines Lichtspots 50 auf das Lichtlaufzeitpixel 23 trifft. Die Ausdehnungsfläche des auftreffenden Lichtspots 50 ist vorzugsweise kleiner als die Fläche des Lichtlaufzeitpixels 23. 3 shows a time-of-flight sensor 22 known from the prior art for distance determination with a light-time-of-flight pixel 23 or a receiving surface for demodulation and determination of the phase shift of a detected light signal. The transmitter 10 and receiver 20 or their components are arranged and/or aligned with one another in such a way that the light signal Sp1, Sp2 that is sent and reflected by the object 40 can be received by the light transit time pixel 23 in a preferred distance measuring range. The beam formation is designed in such a way that the light signal Sp2 in the form of a light spot 50 impinges on the light transit time pixel 23 . The expansion area of the incident light spot 50 is preferably smaller than the area of the light transit time pixel 23.

Wie in der 3 zu erkennen ist, beleuchtet das Nutzlicht nur einen kleinen Teil der fotoempfindlichen Fläche des Lichtlaufzeitpixels 23. Der größte Teil des Pixels wird vom Hintergrundlicht bzw. Fremdlicht beleuchtet.Like in the 3 can be seen, the useful light only illuminates a small part of the photosensitive surface of the light transit time pixel 23. The largest part of the pixel is illuminated by the background light or extraneous light.

Kerngedanke der Erfindung ist nun, das Lichtlaufzeitpixel 23 an die Spezifika der jeweiligen optischen Systemauslegung anzupassen. Die optische Systemauslegung ist von verschiedenen Parametern abhängig, insbesondere der Baugröße des Sensors selbst, wie beispielsweise Sender-Empfänger-Abstand oder Brennweite, dem Aufbau des Optiksystems, beispielsweise einäugig oder zweiäugig, der Senderart, beispielsweise LED, Laser, und weiteren Parametern.The core idea of the invention is now to adapt the light transit time pixel 23 to the specifics of the respective optical system design. The optical system design depends on various parameters, in particular the size of the sensor itself, such as the transmitter-receiver distance or focal length, the structure of the optical system, for example single-eyed or double-eyed, the type of transmitter, for example LED, laser, and other parameters.

Um verschiedene Geräteklassen bzw. unterschiedliche Systemauslegungen mit demselben Lichtlaufzeitsensor 22 zu ermöglichen, muss die Größe des Lichtlaufzeitpixels 23 möglichst groß gewählt werden. Ein derart großes Lichtlaufzeitpixel 23 hat j edoch den Nachteil, dass bei vielen optischen Auslegungen unnötig viel Fremdlicht gesammelt wird. Dieser Nachteil kann beispielsweise mittels einer gerätespezifischen mechanischen Blende behoben werden. Das Aufbringen einer solchen mechanischen Blende ist jedoch mit erheblichem Justageaufwand verbunden.To different device classes or different system designs with the same To allow time-of-flight sensor 22, the size of the light-time-of-flight pixel 23 must be chosen as large as possible. However, such a large light transit time pixel 23 has the disadvantage that in many optical designs an unnecessarily large amount of extraneous light is collected. This disadvantage can be remedied, for example, by means of a device-specific mechanical screen. However, the application of such a mechanical aperture is associated with considerable adjustment effort.

Eine erfindungsgemäße elektronische, „frei konfigurierbare Blende“ ermöglicht hingegen eine Anpassung der Empfangsfläche an die jeweilige optische Auslegung ohne zusätzlichen Justageaufwand.An electronic, “freely configurable diaphragm” according to the invention, on the other hand, enables the receiving surface to be adapted to the respective optical design without additional adjustment effort.

Mit der erfindungsgemäßen „elektronischen Blende“ ist es ferner auch möglich, die auszuwertende bzw. aktive Empfangsfläche des Lichtlaufzeitpixels im laufenden Betrieb in Abhängigkeit der Messsituation, der Entfernungsmesswerte und/oder Nutzsignalstärke optimal anzupassen. Insbesondere ist es bei sehr hellen Objekten, beispielsweise bei Spiegelungen, sinnvoll die aktive Empfangsfläche zu reduzieren, um insbesondere eine Sättigung der Signal-Vorverstärkerstufe zu vermeiden. Auch dieses Ziel kann mittels der erfindungsgemäßen „frei konfigurierbaren Blende“ erreicht werden.With the "electronic shutter" according to the invention, it is also possible to optimally adapt the active reception area of the light transit time pixel to be evaluated during operation, depending on the measurement situation, the measured distance values and/or the useful signal strength. In the case of very bright objects, for example reflections, it makes sense to reduce the active receiving area in particular in order to avoid saturation of the signal preamplifier stage. This goal can also be achieved by means of the “freely configurable aperture” according to the invention.

4 zeigt eine erfindungsgemäße Lösung, bei der im Unterschied zum Stand der Technik das Lichtlaufzeitpixel 23 in mehrere Empfangsbereiche 23.1 - 23.6 aufgeteilt ist. Im dargestellten Beispiel befindet sich der Lichtspot 50 im dritten und vierten Empfangsbereich 23.3, 23.4. 4 shows a solution according to the invention in which, in contrast to the prior art, the light transit time pixel 23 is divided into a plurality of reception areas 23.1-23.6. In the example shown, the light spot 50 is in the third and fourth receiving area 23.3, 23.4.

Erfindungsgemäß ist es nun, wie in 5 dargestellt, vorgesehen, nur die Empfangsbereiche für die Entfernungsmessung zu verwenden, in denen ein Nutzlicht, also hier der modulierte Lichtspot 50, detektiert werden kann. Im dargestellten Fall würden somit nur der dritte und vierte Empfangsbereich 23.3, 23.4 für die Entfernungsmessung berücksichtigt werden. Diese Empfangsbereiche 23.3. 23.4. sind so genannte aktive Empfangsbereiche bzw. aktive Empfangsflächen. Der erste, zweite, fünfte und sechste Empfangsbereich 23.1, .2, .5, .6 sollen für die Entfernungsmessung unberücksichtigt bleiben und sind so genannte ausgeblendete Empfangsbereiche.According to the invention, it is now, as in 5 shown, provided to use only the reception areas for the distance measurement, in which a useful light, so here the modulated light spot 50 can be detected. In the case shown, only the third and fourth reception areas 23.3, 23.4 would be taken into account for the distance measurement. These reception areas 23.3. 23.4. are so-called active receiving areas or active receiving areas. The first, second, fifth and sixth reception areas 23.1, .2, .5, .6 are not to be taken into account for the distance measurement and are so-called blanked-out reception areas.

Es sei bemerkt, dass sich aktive und ausgeblendete Empfangsbereiche 23.n nur dahingegen unterscheiden, ob die in diesen Bereich erfassten Signale ausgewertet werden oder nicht. Ansonsten werden sowohl die aktiven als auch ausgeblendeten Empfangsbereiche mit einem Modulationssignal beaufschlagt, wobei die Ladungen in den aktiven Bereichen an einen Integrator und die Ladungen in den ausgeblendeten Empfangsbereichen an einen Verwerfknoten weiter geleitet werden.It should be noted that active and blanked-out reception areas 23.n differ only in terms of whether the signals detected in this area are evaluated or not. Otherwise, both the active and the blanked-out receiving areas are supplied with a modulation signal, with the charges in the active areas being passed on to an integrator and the charges in the blanked-out receiving areas being passed on to a reject node.

Trifft der Lichtspot 50, wie in 6 gezeigt, auf einen anderen Bereich, hier der zweite und dritte Empfangsbereich 23.2, 23.3, wären diese Bereiche die aktiven Bereiche und in der Auswertung zu berücksichtigen während die übrigen Bereiche ausgeblendet werden.If the light spot hits 50, as in 6 shown, on another area, here the second and third receiving area 23.2, 23.3, these areas would be the active areas and should be taken into account in the evaluation while the other areas are hidden.

7 zeigt eine für die Erfindung bevorzugte Variante eines Lichtlaufzeitsensors 23, bei der im Unterschied zur 2 die Integrationsknoten Ga, Gb als Diodenknoten Da, Db ausgebildet sind, wobei die n-Wanne an der Oberseite einen Metallkontakt aufweist. Zur Abschirmung der an den Modulationsgates Garn, G0, Gbm anliegenden Modulationsspannung sind die Diodenknoten ferner von einem Separationsgate Gsa, Gsb umgeben. Der Metallkontakt auf der n-Wanne kann ggf. die Fläche des umgebenden Separationsgates Gsa, Gsb vollständig als Lichtschutz abdecken. Es sind jedoch auch weitere Varianten denkbar, bei denen weitere Isolations- und Metallschichten aufgebracht werden können. 7 shows a preferred variant of the invention of a time-of-flight sensor 23, in which, in contrast to 2 the integration nodes Ga, Gb are in the form of diode nodes Da, Db, with the n-well having a metal contact on the upper side. In order to shield the modulation voltage present at the modulation gates Yarn, G0, Gbm, the diode nodes are also surrounded by a separation gate G sa , G sb . The metal contact on the n-well can optionally completely cover the area of the surrounding separation gate G sa , G sb as light protection. However, further variants are also conceivable, in which further insulation and metal layers can be applied.

In 8 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß 7. Im gezeigten Bespiel sind innerhalb der Separationsgates Gsa, Gsb jeweils drei Diodenknoten Da, Db angeordnet, deren Metallkontakte mit einer Leiterbahn zum Ladungstransport verbunden sind. Die Diodenknoten Da, Db und die zugehörige Leiterbahn bilden jeweils einen Auslesefinger Da1, Db1 über den die in der Umgebung der Diodenknoten Da, Db befindlichen Ladungen abgeleitet werden können.In 8th shows a plan view of the arrangement according to FIG 7 . In the example shown, three diode nodes D a , D b are arranged within the separation gates Gsa, Gsb, the metal contacts of which are connected to a conductor track for charge transport. The diode nodes D a , D b and the associated strip conductor each form a readout finger D a1 , D b1 , via which the charges located in the vicinity of the diode nodes D a , D b can be derived.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, die Struktur gemäß 8 kontinuierlich wie in 9 gezeigt als ein zusammenhängendes Lichtlaufzeitpixel 23 aufzubauen. In der dargestellten Ausführungsform umfasst ein Empfangsbereich 23.n immer zwei Auslesefinger Dan, Dbn eines Kanals A, B. Die Empfangsbereiche 23.n sind im Gegensatz zu einem herkömmlichen Pixel nicht scharf abgegrenzt, so dass die Auslesefinger an einer Empfangsbereichgrenze immer auch Ladungen aus dem angrenzenden Erfassungsbereich 23.n+1 erfassen.According to the invention it is provided according to the structure 8th continuously as in 9 shown as building a contiguous time-of-flight pixel 23 . In the embodiment shown, a reception area 23.n always includes two readout fingers D an , D bn of a channel A, B. In contrast to a conventional pixel, the reception areas 23.n are not sharply delimited, so that the readout fingers always also have charges at a reception area boundary from the adjacent detection area 23.n+1.

Die Erfassungsbereiche sind bevorzugt so ausgestaltet, dass die den Auslesefinger benachbarten Modulationsgates vorzugsweise auf dem gleichen Modulationspotenzial liegen.The detection areas are preferably designed in such a way that the modulation gates adjacent to the readout finger are preferably at the same modulation potential.

10 zeigt eine erfindungsgemäße Ausleseschaltung zum Abgriff der an den Auslesefingern Dan, Dbn anliegenden Ladungen. Über einen Schalter S können die Auslesefinger Dan, Dbn entweder mit einem Integrator 410 oder einem Verwerfknoten 450 verbunden werden. 10 shows a readout circuit according to the invention for tapping the charges present at the readout fingers D an , D bn . The readout fingers D an , D bn can be connected to either an integrator 410 or a discard node 450 via a switch S.

Im dargestellten Fall sind die oberen Auslesefinger Da1, Db1 für den A- und B-Kanal über den Schalter S1 mit einem A-Kanal und einem B-Kanal-Eingang des Integrators 410 verbunden. Bei den unteren Auslesefingern Dan, Dbn, sind sowohl der A- als auch der B-Kanal gemeinsam mit einem Eingang des Verwerfknotens 450 verbunden. Am Eingang des Verwerfknotens liegt eine Referenzspannung Vref an, die im Wesentlichen auch der an den A- und B-Kanal-Eingängen des Integrators 410 anliegenden Spannung entspricht. So wird sichergestellt, dass zwischen den aktiven Empfangsbereichen und den ausgeblendeten Empfangsbereichen, die mit dem Verwerfknoten verbunden sind, keine signifikanten Potenzialunterschiede auftreten.In the illustrated case, the upper readout fingers Da1, Db1 for the A and B channels are connected to an A channel and a B channel input of the integrator 410 via the switch S1. The lower readout fingers Dan, Dbn have both the A and B channels connected to an input of discard node 450 in common. A reference voltage Vref is present at the input of the reject node, which also essentially corresponds to the voltage present at the A- and B-channel inputs of the integrator 410 . This ensures that there are no significant potential differences between the active reception areas and the blanked reception areas that are connected to the reject node.

11 zeigt beispielhaft einen möglichen zeitlichen Schaltverlauf. Die Schalter für die aktiven Empfangsbereiche sind mit S(A, B) und die Schalter für die ausgeblendeten Bereiche mit S(VVK) bezeichnet. Während einer Ladungsintegration, die im dargestellten Beispiel bei tint_0.1 beginnt, sind die aktiven Empfangsbereiche mit dem Integrator 410 verbunden, die ausgeblendeten Bereiche mit dem Verwerfknoten 450. 11 shows an example of a possible switching process over time. The switches for the active reception areas are denoted by S(A, B) and the switches for the masked out areas by S(V VK ). During a charge integration, which starts at t int_0.1 in the example shown, the active receiving areas are connected to the integrator 410, the blanked areas to the discard node 450.

In den Integrationspausen, also zwischen tint_1.1 und tint_0.2 bleiben die Umschalter S in ihrer Position. Sollte allerdings im Betrieb eine Änderung dieser Positionen hilfreich für die Genauigkeit folgender Messungen werden, so sollte diese Änderung in der Integrationspause stattfinden. Andernfalls können Messergebnisse durch Umschalten während der Integration fehlerhaft werden. Die Integrationspause beginnt nach erfolgter Abtastung des integrierten Signals und endet mit der Wegnahme des Resets als Beginn einer neuen Integration.In the integration pauses, ie between t int_1.1 and t int_0.2 , the switches S remain in their position. However, should a change in these positions be helpful for the accuracy of the following measurements during operation, this change should take place during the integration pause. Otherwise, measurement results may become incorrect due to switching during integration. The integration pause begins after the integrated signal has been sampled and ends with the removal of the reset as the beginning of a new integration.

In dieser Pause werden zudem die Integrationskapazität Cint über den Schalter RS kurzgeschlossen.In this pause, the integration capacitance Cint is also short-circuited via the switch RS.

Eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitpixels 23 ist in 12 dargestellt. Der Übersicht halber sind die Modulationsgates zwischen den Auslesefingern Dan, Dbn nicht gezeigt. Das Lichtlaufzeitpixel weist drei Empfangsbereiche 23.1, .2, .3 auf. Vier Auslesefinger Dan, Dbn eines Kanals A, B sind jeweils als Gruppe elektrisch über eine Leiterbahn zusammengefasst und mit einem Umschalter SAn, SBn, bestehend aus zwei Transistoren verbunden. In Abhängigkeit des anliegenden Schaltsignals UG, UG verbinden die Transistoren die A- und B-Kanäle eines Empfangsbereichs 23.n entweder mit dem Integrator 410 oder dem Verwerfknoten 450. Die Integration bzw. Auswertung der in den lichtempfindlichen Empfangsbereichen 23.n generierten Ladungsträgern erfolgt somit außerhalb der Empfangsbereiche 23.n bzw. des Lichtlaufzeitpixels 23. Die zusammengefassten Empfangsbereiche 23.n bilden eine gemeinsame aktive Empfangsfläche.A possible configuration of a time-of-flight pixel 23 according to the invention is shown in 12 shown. For the sake of clarity, the modulation gates between the readout fingers D an , D bn are not shown. The light transit time pixel has three reception areas 23.1, .2, .3. Four readout fingers D an , D bn of a channel A, B are each electrically combined as a group via a conductor track and connected to a changeover switch S An , S Bn , consisting of two transistors. Depending on the applied switching signal UG, UG the transistors connect the A and B channels of a receiving area 23.n either to the integrator 410 or to the reject node 450. The integration or evaluation of the charge carriers generated in the light-sensitive receiving areas 23.n thus takes place outside of the receiving areas 23.n or of the light transit time pixel 23. The combined reception areas 23.n form a common active reception area.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellte Ausgestaltung beschränkt, so ist es denkbar, dass jeder Auslesefinger einen eigenen Umschalter S aufweist, so dass die Empfangsbereichen noch feiner unterteilt werden können, ebenso ist es denkbar, mehr als vier Auslesefinger zusammenzufassen.The device according to the invention is of course not limited to the embodiment shown, so it is conceivable that each readout finger has its own changeover switch S, so that the reception areas can be subdivided even more finely, it is also conceivable to combine more than four readout fingers.

Wie auch in den übrigen Figuren stellt 12 nur eine schematischen Abbildung dar, so können die Auslesefinger beispielsweise deutlich länger ausgeführt werden, so dass beispielsweise eine Struktur gemäß 5 aufgespannt werden kann. Ebenso sind auch andere Dimensionierung möglich.As in the other figures 12 is only a schematic illustration, the selection fingers can be made significantly longer, for example, so that, for example, a structure according to FIG 5 can be stretched. Other dimensions are also possible.

13 zeigt einen so genannten zweiäugigen optischen Entfernungsmesser, bei dem die Beleuchtung 10 und Lichtlaufzeitsensor 22 seitlich versetzt angeordnet sind. Aufgrund der Winkelbeziehung zwischen ausgesendeten und empfangenen Lichts verändert der Lichtspot 50 abhängig vom Objektabstand seinen Ort auf dem Lichtlaufzeitpixel 23. Dieses so genannte Triangulationsverhalten wird typischerweise dadurch aufgefangen, dass, wie in 3 gezeigt, das Lichtlaufzeitpixel 23 eine ausreichend große Empfangsfläche aufweist. 13 shows what is known as a two-eyed optical range finder, in which the illumination 10 and the time-of-flight sensor 22 are arranged laterally offset. Due to the angular relationship between the emitted and received light, the light spot 50 changes its location on the light transit time pixel 23 depending on the object distance. This so-called triangulation behavior is typically compensated for, as in 3 shown, the light transit time pixel 23 has a sufficiently large receiving area.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, die Empfangsfläche im Hinblick einer zu erwartenden Triangulationsbewegung zu optimieren. 14 zeigt ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitpixel 23, das, wie in 5 bereits gezeigt, mehrere Empfangsbereiche 23.1 ...6 aufweist. Die vom Nutzlicht beleuchteten Empfangsbereiche 23.3, 23.4 werden aktiv zur Entfernungsbestimmung herangezogen.According to the invention, it is provided to optimize the receiving surface with regard to an expected triangulation movement. 14 shows a time-of-flight pixel 23 according to the invention, which, as in 5 already shown, has several reception areas 23.1 ... 6. The reception areas 23.3, 23.4 illuminated by the useful light are actively used to determine the distance.

Um zu vermeiden, dass bei einer entfernungsabhängigen Bewegung des Lichtspots 50 die bevorzugten bzw. aktiven Empfangsbereiche verlassen werden, ist das Empfangselement 22 in Relation zu der Beleuchtung 10 so angeordnet, dass sich der Lichtspot 50 abhängig von der Objektentfernung nur entlang einer Längsachse der Empfangsbereiche 23.n bewegt. Bevorzugt ist die Ausdehnung der Empfangsbereiche 23.n so optimiert, dass der Lichtspot 50 im bevorzugten Messbereich einen ebenfalls bevorzugten Empfangsbereich 23.n nicht verlässt.To prevent light spot 50 from leaving the preferred or active reception areas when there is a distance-dependent movement of light spot 50, reception element 22 is arranged in relation to illumination 10 in such a way that light spot 50 only moves along a longitudinal axis of reception areas 23, depending on the object distance .n moves. The extent of the reception areas 23.n is preferably optimized in such a way that the light spot 50 in the preferred measurement area does not leave a likewise preferred reception area 23.n.

15 zeigt ein so genanntes einäugiges optisches Entfernungsmesssystem bei dem sich Sende- und Empfangsoptik auf eine Achse befinden. Das Licht der Lichtquelle bzw. Beleuchtung 10 wird z.B. über einen Lichtleiter 17 in einen zentralen Bereich der Empfangsoptik 25 geführt und nach außen in Richtung eines Objekts 40 abgestrahlt. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht wird über die Empfangsoptik 25 auf das Lichtlaufzeitpixel 23 als Lichtfleck 50 projiziert. Das Lichtlaufzeitpixel 23 ist aus einem Array von Empfangsbereichen 23.n aufgebaut. 15 shows a so-called single-lens optical distance measuring system in which the transmitting and receiving optics are on one axis. The light from the light source or illumination 10 is guided, for example, via a light guide 17 into a central area of the receiving optics 25 and emitted outwards in the direction of an object 40 . The light reflected from the object 40 is via the receiving optics 25 on the light runtime pixel 23 as Light spot 50 projected. The light transit time pixel 23 is constructed from an array of reception areas 23.n.

Der Lichtfleck 50 mit dem auswertbaren Nutzlicht befindet sich im Wesentlichen im mittleren Bereich des Pixels 23. Die Empfangsbereiche 23.1 - 23.n außerhalb des Lichtflecks 50, hier schraffiert dargestellt werden nicht vom Nutzlicht beleuchtet und sind ausgeblendet, d.h. mit dem Verwerfknoten 450 verbunden Die Empfangsbereiche 23.n, die zumindest teilweise den Lichtfleck 50 bzw. Nutzlicht erfassen, werden über die Umschalter mit dem Integrator 410 verbunden und bilden einen gemeinsamen aktiven Empfangsbereich.The light spot 50 with the usable light that can be evaluated is essentially in the central area of the pixel 23. The reception areas 23.1 - 23.n outside the light spot 50, shown hatched here, are not illuminated by the useful light and are hidden, i.e. connected to the reject node 450 The reception areas 23.n, which at least partially detect the light spot 50 or useful light, are connected to the integrator 410 via the switches and form a common active reception area.

Die aktiven Empfangsbereiche werden auf eine gemeinsame Signalleitung aufgeschaltet und werden gemeinsam, d.h. als singuläre Empfangsfläche ausgewertet. Die zusammengeschalteten Empfangsbereiche entsprechen somit in ihrer elektrischen Wirkung einem Einzelpixel.The active reception areas are connected to a common signal line and are evaluated together, i.e. as a single reception area. The interconnected reception areas thus correspond to an individual pixel in terms of their electrical effect.

Durch das erfindungsgemäße Vorgehen ist es somit möglich, die Geometrie des Lichtlaufzeitpixels 23 durch Aktivieren und Ausblenden von Empfangsbereichen 23.n an eine applikationsabhängige Geometrie des Nutzlichts anzupassen.The procedure according to the invention thus makes it possible to adapt the geometry of the light transit time pixel 23 to an application-dependent geometry of the useful light by activating and hiding reception areas 23.n.

Eine Aufteilung der Pixelfläche in zwei Dimensionen ist insbesondere bei einäugigen optischen Systemen, d.h. bei Systemen, bei denen Sender und Empfänger auf derselben optischen Achse liegen, sehr vorteilhaft. Hier verbleibt der Schwerpunkt der Spotabbildung in der gleichen Position auf dem Pixel unabhängig von dem Objektabstand. Der aktive Erfassungsbereich kann in diesem Fall vorzugsweise in beiden Dimensionen eingeschränkt werden. Auch bei der Verwendung einer Erfassungsmatrix kann es vorgesehen sein, die Größe der aktiven Empfangsbereiche 23.n in Abhängigkeit der erfassten Lichtintensität anzupassen.Dividing the pixel area into two dimensions is particularly advantageous for single-lens optical systems, i.e. for systems in which the transmitter and receiver are on the same optical axis. Here the centroid of the spot image stays in the same position on the pixel regardless of the object distance. In this case, the active detection area can preferably be restricted in both dimensions. When using a detection matrix, it can also be provided that the size of the active reception areas 23.n be adapted as a function of the detected light intensity.

Im Weiteren kann eine Anpassung der Größe des aktiven Entfernungsbereichs auch dynamisch in Abhängigkeit weiterer Messwerte erfolgen, um beispielsweise einer systembedingte Änderung der Spotabbildungsgröße in Abhängigkeit des Objektabstandes entgegen wirken zu können.Furthermore, the size of the active distance range can also be adjusted dynamically as a function of other measured values, in order to be able to counteract a system-related change in the spot image size as a function of the object distance, for example.

16 zeigt eine Ausgestaltung für ein zweiäugiges System gemäß 13 in der die Empfangsbereiche 23.n matrixförmig über das Lichtlaufzeitpixel 23 angeordnet sind. Der aktive Empfangsbereich zur Erfassung des modulierten Lichts ist hier trichterförmig strukturiert. Diese Ausgestaltung berücksichtigt zum einen das seitliche Auswandern des Lichtspots 50 aufgrund des Triangulationseffekts als auch eine abstandsabhängige Veränderung der Größe des Lichtspots 50. Im Nahbereich weist der Lichtspot 50 typischerweise die größte Abmessung auf und wird mit zunehmenden Objektabstand kleiner, wobei der Lichtspot 50 gleichzeitig vom linken Nahbereich in den rechten Fernbereich auswandert. Eine matrixförmigen Anordnung der Erfassungsbereiche 23.n erlaubt es nun, diesem Umstand Rechnung zu tragen und wie in 16 gezeigt, die aktiven Empfangsbereiche 23.n trichterförmig zu strukturieren. 16 shows an embodiment for a binocular system according to FIG 13 in which the reception areas 23.n are arranged in a matrix over the light transit time pixel 23. The active receiving area for capturing the modulated light is structured like a funnel. On the one hand, this configuration takes into account the lateral migration of the light spot 50 due to the triangulation effect and a distance-dependent change in the size of the light spot 50. In the close-up range, the light spot 50 typically has the largest dimension and becomes smaller with increasing object distance, with the light spot 50 simultaneously moving from the left Near range emigrates to the far right range. A matrix-like arrangement of the detection areas 23.n now allows this fact to be taken into account and, as in 16 shown to structure the active reception areas 23.n in a funnel shape.

Bei Vorliegen einer Abstandsinformation ist es auch denkbar, wie in 17 und 18 gezeigt, die aktiven Empfangsbereiche auf die jeweilige Lichtspotgröße und -position zu beschränken und die übrigen Empfangsbereiche auszublenden.If distance information is available, it is also conceivable, as in 17 and 18 shown to limit the active reception areas to the respective light spot size and position and to hide the other reception areas.

BezugszeichenlisteReference List

11
Lichtlaufzeitkamerasystemtime-of-flight camera system
1010
Sender, Beleuchtungtransmitter, lighting
1212
Lichtquellelight source
1515
Sendeoptik, StrahlformungsoptikTransmission optics, beam shaping optics
1717
Lichtleiterlight guide
2020
EmpfängerRecipient
2222
Empfangselementreceiving element
2323
Lichtlaufzeitpixeltime-of-flight pixels
23.n23.n
Empfangsbereichereception areas
2525
Empfangsoptikreceiving optics
3030
Modulatormodulator
4040
Objektobject
40'40'
Objekt ortsverändertObject changed location
5050
Lichtspotlight spot
50'50'
Lichtspot im FernbereichLight spot in the far range
400400
Ausleseeinheitreadout unit
410410
Integratorintegrator
450450
Verwerfknotenwarp knot
di.e
Obj ektentfernungobject distance
ChAChA
Kanal AChannel A
ChBCH B
Kanal BChannel B
Da, Dbthere, db
Diodenknotendiode node
Dan, DbnDan, DBn
Auslesefingerselection finger
Gam, GbmGam, Gbm
Modulationsgatesmodulation gates
G0G0
mittleres Modulationsgatemiddle modulation gate
M(p1)M(p1)
Modulationsfrequenzmodulation frequency
qa, qbqa, qb
Ladungsträgercharge carrier
SA1..n, SB1..nSA1..n, SB1..n
Umschalterswitch
S(p1)S(p1)
gesendetes Modulationssignaltransmitted modulation signal
S(p2)S(p2)
empfangenes Modulationssignalreceived modulation signal
IA, IBIA, IB
Strom der IntegrationsknotenStream of integration nodes

Claims (7)

Lichtlaufzeitsensor (22) für einen optischen Entfernungsmesser (1), mit einem Lichtlaufzeitpixel (23) zur Demodulation eines empfangenen modulierten Lichtsignals (Sp2), wobei das Lichtlaufzeitpixel (23) mehrere, matrixförmig angeordnete Empfangsbereiche (23.n) mit wenigstens einem Auslesefinger (Dan, Dbn) für einen A- und B-Kanal aufweist, und ein jeweiliger Auslesefinger (Dan, Dbn) wenigstens jeweils einen als Diodenknoten ausgebildeten Integrationsknoten (Da, Db) aufweist, wobei das Lichtlaufzeitpixel (23) einen Integrator (410) zur Integration der an den Diodenknoten (Da, Db) erfassten Ladungen aufweist, und die Auslesefinger (Dan, Dbn) eines Kanals (A, B) einzeln oder gruppenweise jeweils mit einem Eingang eines Umschalter (SA1..n, SB1..n) verbunden sind, wobei die Umschalter (SA1..n) für Auslesefinger (Dan) des A-Kanals an einem ersten Ausgang des Umschalters (SA1..n) mit einem A- Kanal Eingang des Integrator (410) und die Umschalter (SB1..n) für Auslesefinger (Dbn) des B-Kanal an einem ersten Ausgang des Umschalters (SB1..n) mit einem B- Kanal Eingang des Integrator (410) und dass die Umschalter (SA1..n, SB1..n) an einem zweiten Ausgang mit einem Eingang eines Verwerfknoten (450) verbunden sind, wobei der Lichtlaufzeitsensor (22) derart ausgebildet ist, dass im Betrieb die Umschalter (SA1..n, SB1..n) die Auslesefinger (Dan, Dbn) entweder mit einem Eingang des Integrators (410) oder mit einem Eingang des Verwerfknoten (450) verbinden, wobei an einem weiteren Eingang des Verwerfknotens (450) eine Referenzspannung (Vref) anliegt, die der an den weiteren A- und B-Kanal-Eingängen des Integrators (410) anliegenden Spannung entspricht, wobei die Empfangsbereiche (23.n), deren Auslesefinger (Dan, Dbn) mit dem Integrator (410) verbunden sind, aktive Empfangsbereiche (23.n) bilden, und die Auslesefinger (Dan, Dbn) derart mit dem Integrator (410) verbunden sind, dass die Geometrie der zusammengefassten aktiven Empfangsbereiche (23.n), eine abstandsabhängige Orts- und Größenveränderung des Lichtspots (50) berücksichtigt.Time-of-flight sensor (22) for an optical range finder (1), with a time-of-flight pixel (23) for demodulating a received modulated light signal (Sp2), the light-time-of-flight pixel (23) having a plurality of receiving areas (23.n) arranged in a matrix with at least one readout finger (D an , D bn ) for an A and B channel, and a respective readout finger (D an , D bn ) has at least one integration node (D a , D b ) designed as a diode node, the light transit time pixel (23) having an integrator (410) for integrating the charges detected at the diode nodes (D a , D b ), and the readout fingers (D an , D bn ) of a channel (A, B) individually or in groups, each with an input of a switch ( SA1. .n , S B1..n ) are connected, the switch (S A1..n ) for read fingers (D to ) of the A channel at a first output of the switch (S A1..n ) with an A channel Input of the integrator (410) and the switch (S B1..n ) for the readout finger (D bn ) of the B-channel at a first output of the switch (S B1..n ) with a B-channel input of the integrator (410) and in that the changeover switches (S A1..n , S B1..n ) are connected at a second output to an input of a discard node (450), the time-of-flight sensor (22) being designed in such a way that, during operation, the changeover switches (S A1 ..n , S B1..n ) connect the readout fingers (D an , D bn ) either to an input of the integrator (410) or to an input of the discard node (450), wherein at a further input of the discard node (450) a Reference voltage (Vref) is present, which corresponds to the voltage present at the other A and B channel inputs of the integrator (410), the reception areas (23.n) whose readout fingers (D an , D bn ) being connected to the integrator ( 410) are connected, form active reception areas (23.n), and the readout fingers (D to , D bn ) are connected to the integrator (410) in such a way that the geometry of the combined active reception areas (23.n), a distance-dependent location - Considering the change in size of the light spot (50). Lichtlaufzeitsensor (22) nach Anspruch 1, bei dem die Geometrie der mit dem Integrator (410) verbundenen und zusammengefassten aktiven Empfangsbereiche (23.n) trichterförmig ausgebildet ist.Time of flight sensor (22) after claim 1 , in which the geometry of the active reception areas (23.n) connected and combined with the integrator (410) is funnel-shaped. Lichtlaufzeitsensor (22) nach Anspruch 1 oder 2, der derart ausgestaltet ist, dass die Umschaltung der Empfangsbereiche (23.1. - 23.6) bzw. der Auslesefinger (Dan, Dbn) auf den Integrator (410) oder Verwerfknoten (450) in Abhängigkeit eines ermittelten Entfernungswerts und/oder der Stärke des Empfangssignals erfolgt.Time of flight sensor (22) after claim 1 or 2 , which is designed in such a way that the switching of the reception areas (23.1. - 23.6) or the readout fingers (D an , D bn ) to the integrator (410) or reject node (450) depending on a determined distance value and/or the strength of the received signal takes place. Lichtlaufzeitsensor (22) nach Anspruch 3, bei dem in Abhängigkeit des ermittelten Entfernungswertes, Ort und Größe der zusammengefassten Empfangsbereiche (23.n), die dem Integrator (410) verbunden sind, so gewählt sind, dass sie mit der erwarteten Größe und Position des Lichtspots (50) korrespondieren.Time of flight sensor (22) after claim 3 , in which, depending on the determined distance value, location and size of the combined reception areas (23.n), which are connected to the integrator (410), are selected such that they correspond to the expected size and position of the light spot (50). Lichtlaufzeitsensor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Lichtlaufzeitsensor (22) so angeordnet ist, dass sich bei einer Abstandsänderung des Objekts (40) der Lichtspot (50) in Richtung einer Längsachse (28) eines der Empfangsbereiche (23.n) bewegt.Time-of-flight sensor (22) according to one of the preceding claims, in which the time-of-flight sensor (22) is arranged in such a way that when the distance of the object (40) changes, the light spot (50) moves in the direction of a longitudinal axis (28) of one of the reception areas (23.n). Lichtlaufzeitsensor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Verwerfknoten (450) eine Impedanz und/oder eine Eingangsspannung (VRef) des Integrators (410) nachbildet.Time-of-flight sensor (22) according to one of the preceding claims, in which the reject node (450) models an impedance and/or an input voltage (V Ref ) of the integrator (410). Optischer Entfernungsmesser (1) mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Sender (10) zur Ausendung eines modulierten Lichtsignals (Sp1) in Form eines Lichtspots (50), mit einem Modulator (30), der ein Modulationssignal für den Sender (10) und den Empfänger (20) zur Verfügung stellt, wobei Sender (10) und der Lichtlaufzeitsensor (22) beabstandet voneinander angeordnet sind.Optical distance meter (1) with a time-of-flight sensor (22) according to one of the preceding claims, with a transmitter (10) for emitting a modulated light signal (Sp1) in the form of a light spot (50), with a modulator (30) which provides a modulation signal for the transmitter (10) and the receiver (20), wherein the transmitter (10) and the time-of-flight sensor (22) are arranged at a distance from one another.
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